專利名稱：一種直線超聲電機及其電激勵方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲電機及其電激勵方法，屬于超聲電機技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲電機是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應和摩擦驅(qū)動原理的新型動力輸出裝 置，它利用逆壓電效應將電能轉(zhuǎn)換為超聲電機定子的微幅振動，并通過電機的定子與動 子之間的摩擦作用，推動動子輸出宏觀運動。其中，直線超聲電機的動子輸出直線運 動。目前，直線超聲電機可以直接輸出直線運動帶動負載，無需運動轉(zhuǎn)換，從而具 有響應速度快、定位精度高。板直線超聲電機體積小巧，推重比大，在宿主系統(tǒng)中所需 安裝空間少，滿足現(xiàn)代驅(qū)動技術(shù)對作動器要求，具有廣闊的應用前景。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于研制一種結(jié)構(gòu)簡單、大推重比、高精度、快響 應的直線超聲電機。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案
一種直線超聲電機，包括定子和動子，在定子的一側(cè)表面設置有驅(qū)動足，所述動子 由預壓力壓在定子的驅(qū)動足上，所述定子為矩形板狀且設置有貫穿孔，在定子的另一側(cè) 表面粘貼有5個壓電陶瓷，用于激發(fā)定子在兩個空間正交方向上的1階彎曲振動和2階彎 曲振動；
其中，所述壓電陶瓷中的1片橫向粘貼于定子上與驅(qū)動足相對稱的位置，用于激發(fā) 定子在橫向平面的1階彎曲振動；
另外4片壓電陶瓷兩兩平行地豎向粘貼于所述貫穿孔的兩側(cè)，用于激發(fā)定子在豎直 平面的2階彎曲振動。進一步的，本發(fā)明的直線超聲電機，所述驅(qū)動足位于橫向平面的1階彎曲振動 的波峰和豎直平面的2階彎曲振動的節(jié)點處。進一步的，本發(fā)明的直線超聲電機，所述定子上的貫穿孔位于橫向平面的1階 彎曲振動的波峰、豎直平面的2階彎曲振動的波峰處。進一步的，本發(fā)明的直線超聲電機，所述驅(qū)動足為橫梁狀。進一步的，本發(fā)明的直線超聲電機，在定子的四個邊角端分別有用于固定定子 的螺孔，在定子上設置驅(qū)動足的一側(cè)表面上的螺孔位置下方分別橫向設置有凹槽。進一步的，本發(fā)明的直線超聲電機，所述貫穿孔的數(shù)量為2個，分別豎向設置 在定子的中心線上；在所述貫穿孔的橫向軸線上位于定子板兩端的位置，分別對應地開 設兩個半圓孔。一種直線超聲電機的電激勵方法，包括以下步驟
A，用相位差為n/2的正弦信號同時激勵定子在兩個相互正交的1階彎曲振動和2階彎曲振動下，使定子的驅(qū)動足產(chǎn)生在時間上相互具有n/2相位差的橢圓運動，經(jīng)摩擦傳 力推動動子運動；
B，用相位差為負n/2的正弦信號同時激勵定子在兩個相互正交的1階彎曲振動和2 階彎曲振動下，使定子的驅(qū)動足產(chǎn)生在時間上相互具有負n/2相位差的橢圓運動，經(jīng)摩 擦傳力推動動子與步驟A相反的方向運動。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案具有以下有益效果
本發(fā)明的帶孔板直線超聲電機利用單一振子兩個正交方向的面外彎振模態(tài)工作，除 具有超聲電機的一般特點外，采用板帶驅(qū)動足作為定子，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工作模態(tài)容易 激發(fā)，且在結(jié)構(gòu)設計上能保證頻率一致性要求，工作可靠。帶孔板結(jié)構(gòu)簡單，工藝性 好，大大降低了設計和制造的難度，有利于產(chǎn)業(yè)化。由兩路同頻有相位差的正弦電壓信 號激勵，驅(qū)動電路易于實現(xiàn)。
圖1是帶孔板直線超聲電機定子結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是帶孔板直線超聲電機定子工作模態(tài)示意圖。圖3是帶孔板直線超聲電機壓電陶瓷極化方向示意圖。圖4是帶孔板直線超聲電機結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是帶孔板直線超聲電機工作原理示意圖。圖中標號名稱1-驅(qū)動足；2-定子；3、4、5、6、7_壓電陶瓷；8_動子； 9、10-定子驅(qū)動足端面質(zhì)點運動軌跡；11、12-動子運動方向；13-預壓力；21、22-定 子的工作模態(tài)的振型。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明
如圖1 (a)所示，定子2的一側(cè)表面設置有驅(qū)動足1，定子2是由帶有驅(qū)動足1的 帶孔板構(gòu)成；
如圖1 (b)所示，定子2的背面對應地粘貼有5片壓電陶瓷，用于激發(fā)定子板的彎 曲振動。其中，壓電陶瓷6橫向粘貼于定子2上與驅(qū)動足1相對稱的位置，用于激發(fā)定 子2在橫向平面的1階彎曲振動；
另外4片壓電陶瓷兩兩平行地豎向粘貼于所述貫穿孔的兩側(cè)，用于激發(fā)定子2在豎直 平面的2階彎曲振動。下面結(jié)合圖2所示，進一步解釋本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設計原則
如圖2 (a)所示，定子2為矩形板狀，且在定子板的中心線上豎向開設有兩個圓 孔，在這兩個圓孔的橫向軸線上位于定子板兩端的位置，分別對應地開設兩個半圓孔， 其設計目的是減小定子結(jié)構(gòu)剛度，使壓電陶瓷容易激發(fā)出所需工作模態(tài)并使模態(tài)振幅響 應增大。定子板的四個邊角端各開一個螺孔，起固定定子2的作用，而靠近螺孔的位置 分別橫向開個槽，用于削弱定子2局部剛度以減少固定螺釘對定子模態(tài)的影響，其固定 端剛好位于定子板振型22的節(jié)點處。驅(qū)動足1位于振動模態(tài)21波峰處和振動模態(tài)22的節(jié)點處，如圖2 (b)所示，其中在壓電陶瓷6上施加電信號Et= Vsin0af),可激發(fā)如
模態(tài)21所示的定子板的彎曲振動模態(tài)；其模態(tài)21使驅(qū)動足沿垂直于方板表面運動，具有 Z方向的位移；
如圖2 (c)所示，在壓電陶瓷3、4和5、6上分別施加電信號馬+
和乓=1—0^+1/2)，可激發(fā)如模態(tài)22所示的定子的彎曲振動模態(tài)，而模態(tài)22使驅(qū) 動足端面沿Y軸方向運動，具有Y方向的位移。同理，在壓電陶瓷3上施加電信號馬=可激發(fā)如圖2 (a)所示的定子 的1階彎曲振動模態(tài)21;在壓電陶瓷3、4和5、7上分別施加電信號乓
和馬=1—(<^-;^/2)，可激發(fā)如圖2 (b)所示的定子的彎曲振動模態(tài)22。壓電陶瓷3、4和5、7用于激發(fā)定子板在Y-Z剖面的2階彎曲振動模態(tài)22，由 于板彎曲時，其波峰或波谷處應變最大，應盡量將壓電陶瓷粘貼于彎振模態(tài)22波峰或波 谷附近，以提高激勵效率。如圖3所示，本發(fā)明包括5個壓電陶瓷，其中壓電陶瓷6橫向粘貼于定子2上與 驅(qū)動足1相對稱的位置，用于激發(fā)定子2在橫向平面的1階彎曲振動；另外4片壓電陶瓷 兩兩平行地豎向粘貼于所述貫穿孔的兩側(cè)，用于激發(fā)定子2在豎直平面的2階彎曲振動。 對于上述5片壓電陶瓷極化方向的要求為壓電陶瓷3、4的極化方向與壓電陶瓷5、6、
7的極化方向相反。壓電陶瓷6用于激發(fā)定子板在x-z剖面的彎曲振動模態(tài)；壓電陶瓷3、4、5、7 用于激發(fā)定子板在y-z剖面的2階彎曲振動模態(tài)。驅(qū)動足1由于正背對著壓電陶瓷6，而 由壓電陶瓷6所激發(fā)的彎曲振動模態(tài)使驅(qū)動足整體呈彎曲狀態(tài)，位于方板中間位置其驅(qū) 動足z向振幅最大；同時驅(qū)動足也位于由壓電陶瓷3、4、5、7所激發(fā)的2階彎曲振動模 態(tài)的節(jié)點處，由于彎曲振動節(jié)點處的旋轉(zhuǎn)和驅(qū)動足有一定高度，驅(qū)動足表面的質(zhì)點將沿y 軸振動。如圖4所示，本發(fā)明的直線超聲電機包括定子2和動子8，定子2為矩形板狀且 設置有若干貫穿孔，在定子2的一側(cè)表面設置有驅(qū)動足1，動子8由預壓力13壓在定子2 的驅(qū)動足1上。如圖5 (a)所示，當同時分別在壓電陶瓷6上施加電佶。馬zFsinOaO、在壓 電陶瓷3、4和5、6上分別施加電信號鳥二獷^(0^/2)和馬=_1^1103 _1^/2),即當
這3個電信號(El、E2、E3)同時施加時，振動模態(tài)21、振動模態(tài)22響應的疊加可使 驅(qū)動足1與動子8接觸處產(chǎn)生如圖5 (a)所示的在x-z面上的相互之間具有n/2相位 差的橢圓運動9 ；驅(qū)動足1端面的運動經(jīng)摩擦傳力推動動子8沿圖5 (a)所示的方向11 運動。如圖5 (b)所示，當這3個電信號(El、E2、E3)同時施加時，兩個振動 模態(tài)21、22的疊加可使驅(qū)動足與動子8接觸處產(chǎn)生如圖5 (b)所示的在x-z面上的相 互之間具有n/2相位差的橢圓運動10;驅(qū)動足端面的運動經(jīng)摩擦傳力推動動子8沿圖5
(b)所示的方向12運動。
該超聲電機結(jié)構(gòu)緊湊，有利于小型化；電機本身質(zhì)量小，可實現(xiàn)大的推重比； 容易激發(fā)電機所需工作模態(tài)，結(jié)構(gòu)設計上能保證頻率一致性要求，有利于產(chǎn)業(yè)化；工作
穩(wěn)定、可靠。
權(quán)利要求
1.一種直線超聲電機，包括定子(2)和動子(8)，在定子(2)的一側(cè)表面設置 有驅(qū)動足(1)，所述動子(8)由預壓力壓在定子(2)的驅(qū)動足(1)上；其特征在 于所述定子(2)為矩形板狀且設置有貫穿孔，在定子(2)的另一側(cè)表面粘貼有5個 壓電陶瓷，用于激發(fā)定子(2)在兩個空間正交方向上的1階彎曲振動和2階彎曲振動；其中，所述壓電陶瓷中的1片橫向粘貼于定子(2)上與驅(qū)動足(1)相對稱的位 置，用于激發(fā)定子(2)在橫向平面的1階彎曲振動；另外4片壓電陶瓷兩兩平行地豎向粘貼于所述貫穿孔的兩側(cè)，用于激發(fā)定子(2)在 豎直平面的2階彎曲振動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線超聲電機，其特征在于所述驅(qū)動足(1)位于橫向平 面的1階彎曲振動的波峰和豎直平面的2階彎曲振動的節(jié)點處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線超聲電機，其特征在于所述定子(2)上的貫穿孔位 于橫向平面的1階彎曲振動的波峰、豎直平面的2階彎曲振動的波峰處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線超聲電機，其特征在于所述驅(qū)動足(1)為橫梁狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線超聲電機，其特征在于在所述定子(2)的四個邊角 端分別有用于固定定子(2)的螺孔，在定子(2)上設置驅(qū)動足的一側(cè)表面上，在所述 螺孔的位置下方分別橫向設置有凹槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線超聲電機，其特征在于所述貫穿孔的數(shù)量為2個，分 別豎向設置在定子(2)的中心線上；在所述貫穿孔的橫向軸線上位于定子板兩端的位 置，分別對應地開設兩個半圓孔。
7.—種如權(quán)利要求1所述的直線超聲電機的電激勵方法，其特征在于，包括如下步驟A，用相位差為η/2的正弦信號同時激勵定子(2)在兩個相互正交的1階彎曲振動 和2階彎曲振動下，使定子(2)的驅(qū)動足(1)產(chǎn)生在時間上相互具有η/2相位差的橢 圓運動，經(jīng)摩擦傳力推動動子(8)運動；B，用相位差為負η/2的正弦信號同時激勵定子(2)在兩個相互正交的1階彎曲振 動和2階彎曲振動下，使定子(2)的驅(qū)動足(1)產(chǎn)生在時間上相互具有負π/2相位差 的橢圓運動，經(jīng)摩擦傳力推動動子(8)與步驟A相反的方向運動。
全文摘要
本發(fā)明提供一種直線超聲電機及其電激勵方法，屬超聲電機技術(shù)領(lǐng)域。該電機包括定子、動子及壓電陶瓷；所述定子為一個面上帶有1個橫梁狀驅(qū)動足的矩形帶孔板，另一個面上粘貼有5個壓電陶瓷，用于同時激發(fā)定子板的1階彎曲振動模態(tài)和2階彎曲振動模態(tài)。本發(fā)明用相位差為π/2的正弦信號同時激勵定子板的兩個相互正交的彎振，使板上的驅(qū)動足產(chǎn)生具有π/2相位差的橢圓運動，經(jīng)摩擦傳力推動壓在定子驅(qū)動足上的動子運動；用相位差為－π/2的正弦信號激勵時，可使動子反方向運動。在工作狀態(tài)下，定子板兩端通過孔用螺釘固定。該超聲電機結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、驅(qū)動效率高、推力較大、工作可靠。
文檔編號H02N2/02GK102013832SQ20101060395
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者王寅, 陳培洪, 黃衛(wèi)清 申請人:南京航空航天大學